梁湛原

摘 要：接地網(wǎng)對(duì)變電站的安全運(yùn)行起著重要的作用，其接地性能一直是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行部門關(guān)注的重要點(diǎn)。采用接地分析軟件CDEGS搭建了接地網(wǎng)雷電沖擊暫態(tài)響應(yīng)計(jì)算模型，分析了雷電流注入點(diǎn)、接地網(wǎng)參數(shù)和土壤結(jié)構(gòu)對(duì)雷電沖擊下接地網(wǎng)暫態(tài)電位的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，減小網(wǎng)格間距有利于減小地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)，當(dāng)網(wǎng)格間距從20 m縮短到10 m時(shí)，地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)下降比較明顯。

關(guān)鍵詞：CDEGS軟件；變電站；接地網(wǎng)；雷擊沖擊；

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.105

隨著我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展，變電站越來越多地采用了HGIS、戶內(nèi)或戶外GIS等緊湊型配電裝置，變電站的面積越來越小，使變電站接地設(shè)計(jì)的多種問題越來越明顯。本文介紹了一種先進(jìn)的CDEGS軟件，可監(jiān)測(cè)電流分布、電磁場(chǎng)、接地、土壤結(jié)構(gòu)等，用于精確分析接地、電磁場(chǎng)、電磁干擾（包括降低交流/直流干擾、陰極保護(hù)和陽極床分析）等問題。在CDEGS軟件中，變電站地網(wǎng)雷擊暫態(tài)計(jì)算的過程分為雷電波頻域分解、地網(wǎng)電磁場(chǎng)頻域響應(yīng)計(jì)算、地網(wǎng)電磁場(chǎng)頻域響應(yīng)計(jì)算。為了反映雷擊暫態(tài)對(duì)人身地網(wǎng)的威脅，必須在CDEGS中對(duì)地網(wǎng)沖擊接地電阻、最大電位升、接地網(wǎng)地表電位和接觸電壓數(shù)值進(jìn)行分析。

1 變電站地網(wǎng)雷擊暫態(tài)的計(jì)算方法

1.1 網(wǎng)格間距的影響

運(yùn)用CDEGS軟件建立200 m×200 m的地網(wǎng)模型，分別在接地網(wǎng)中心（A點(diǎn)）、角點(diǎn)（B點(diǎn)）、邊緣中點(diǎn)（C點(diǎn)）注入雷電流，計(jì)算不同間距條件下地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)，分析網(wǎng)格間距對(duì)地網(wǎng)雷電沖擊特性的影響。

利用CDEGS軟件計(jì)算網(wǎng)格間距為3 m、5 m、8 m、10 m、12 m、15 m、20 m時(shí)的接地網(wǎng)雷擊特性參數(shù)，隨著網(wǎng)格間距的增大，地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)均增大。從地網(wǎng)中心注入雷電流時(shí)，其沖擊特性參數(shù)最小，從地網(wǎng)角點(diǎn)注入雷電流時(shí)，沖擊特性參數(shù)最大。當(dāng)網(wǎng)格間距從3 m增大到8 m時(shí)，雖然減小了雷電流的散流通道，但地網(wǎng)電感效應(yīng)減弱，地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)變化幅值較??；當(dāng)網(wǎng)格間距增大到10 m之后，繼續(xù)增大網(wǎng)格間距，接地網(wǎng)散流導(dǎo)體減少，沖擊接地電阻、地網(wǎng)最大電位升、跨步電壓、接觸電壓等沖擊特性參數(shù)均明顯增大。

1.2 地網(wǎng)雷擊的有效面積

在雷電流沖擊電流的作用下，由于變電站接地網(wǎng)呈現(xiàn)出明顯的電感效應(yīng)，地網(wǎng)接地性能在工頻電流的作用下產(chǎn)生了不同。雷電流注入接地網(wǎng)時(shí)，只能在一定的范圍內(nèi)散流，即存在地網(wǎng)雷擊有效面積，以（10～100 m）×（10～100 m）地網(wǎng)為例，網(wǎng)格為10 m×10 m時(shí)角點(diǎn)注入雷電流，網(wǎng)格為5 m×5 m時(shí)中點(diǎn)注入雷電流，并設(shè)地網(wǎng)注流點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，具體如圖1所示。仿真計(jì)算參數(shù)如表1所示。

隨著地網(wǎng)面積的增加，沖擊接地電阻和地網(wǎng)最大電位升逐漸降低，并趨于飽和。對(duì)于邊長(zhǎng)為5 m的網(wǎng)格，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)邊長(zhǎng)為10 m時(shí)，沖擊接地電阻為7.69 Ω，地網(wǎng)最大電位升為384.31 kV。當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)邊長(zhǎng)為30 m時(shí)，沖擊接地電阻降為3.76 Ω，地網(wǎng)最大電位升下降為188.12 kV，下降幅度為51.1%；繼續(xù)增大地網(wǎng)面積，沖擊接地電阻和地網(wǎng)最大電位升下降幅度很小，變化幅度小于5%.

對(duì)于邊長(zhǎng)為10 m的網(wǎng)格，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)邊長(zhǎng)為10 m時(shí)，沖擊接地電阻為10.02 Ω，地網(wǎng)最大電位升為500.9 kV；當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)邊長(zhǎng)為30 m時(shí)，沖擊接地電阻降為9.56 Ω，地網(wǎng)最大電位升下降為472.5 kV，下降了10.6%；繼續(xù)增大地網(wǎng)面積，沖擊接地電阻和地網(wǎng)最大電位升下降幅度小于5%.因此，地網(wǎng)雷擊有效面積為30 m×30 m。

1.3 垂直接地體的影響

通過對(duì)地網(wǎng)雷擊有效面積的分析可知，雷電流主要在注流點(diǎn)附近30 m×30 m 的范圍內(nèi)散流，增大地網(wǎng)面積對(duì)改善接地網(wǎng)的雷擊沖擊特性的意義不大。在此情況下，可以考慮在注流點(diǎn)附近增設(shè)短垂直接地極來增加雷電流散流通道，從而改善接地網(wǎng)的雷擊沖擊特性。以200 m×200 m接地網(wǎng)為例，網(wǎng)格間距為10 m，在注流點(diǎn)周圍15 m的范圍內(nèi)增設(shè)2.5 m長(zhǎng)的垂直接地體，a點(diǎn)即為注流點(diǎn)位置，b點(diǎn)與注流點(diǎn)空間、電氣的距離為10 m，c 點(diǎn)距注流點(diǎn)空間的距離為14.41 m，距電氣的距離為20 m，分別在a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)以及多點(diǎn)位置組合安裝垂直接地體，運(yùn)用CDEGS軟件建立地網(wǎng)模型，仿真分析垂直接地體對(duì)地網(wǎng)雷擊特性的影響。

仿真計(jì)算安裝垂直接地體前、后變電站地網(wǎng)沖擊接地電阻、地網(wǎng)最大電位升以及地表最大電位升如表2所示。加裝垂直接地體對(duì)地網(wǎng)沖擊接地電阻和地網(wǎng)電位升影響非常小。加裝垂直接地體前地網(wǎng)的沖擊接地電阻和地網(wǎng)最大電位升分別為4.974 Ω 和248.7 kV，加裝3根2.5 m長(zhǎng)的垂直接地極后，地網(wǎng)沖擊接地電阻和地網(wǎng)最大電位升分別為4.952 Ω 和247.6 kV，下降了0.4%.在注流點(diǎn)周圍加裝垂直接地體可降低地表電位，加裝垂直接地體前地表最大電位為189.8 kV，注流點(diǎn)周圍加裝2根垂直接地體后，地表最大電位為175.57 kV，下降了7.3%.

加裝垂直接地體前后，變電站內(nèi)跨步電壓和接觸電壓變化情況如表3所示。

加裝垂直接地體前、后對(duì)接觸電壓的影響很明顯。在不裝垂直接地體的情況下，最大接觸電壓為118.49 kV，在a點(diǎn)與b點(diǎn)之間加裝2根垂直接地體后，最大接觸電壓下降幅度最大，降至88.798 kV，下降了25.06%.

2 結(jié)束語

綜上所述，CDEGS是國(guó)際領(lǐng)先的接地設(shè)計(jì)軟件，完全秉承IEEE設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)成果易于被國(guó)際同行理解和采納，有著廣泛的應(yīng)用前景。通過上述仿真結(jié)果可得，雷電流從地網(wǎng)中心注入時(shí)地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)最小，地網(wǎng)角點(diǎn)注流時(shí)雷電沖擊特性參數(shù)最大。減小網(wǎng)格間距有利于降低地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)，當(dāng)網(wǎng)格間距從20 m縮短到10 m時(shí)，地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)下降比較明顯；繼續(xù)縮短網(wǎng)格間距，雖然增加了雷電流散流通道，但地網(wǎng)電感效應(yīng)增強(qiáng)，地網(wǎng)沖擊特性參數(shù)下降幅度變??；加裝垂直接地體，對(duì)接觸電壓影響明顯。

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〔編輯：張思楠〕